امروزه سیستم های حجم هوای متغیر یکی از گزینه های مهم مهندسین طراح تهویه مطبوع محسوب می شود. از مزایای استفاده از این گونه سیستم ها که باعث جذابیت انها شده می توان به انعطاف پذیری در طراحی و همچنین صرفه جویی در مصرف انرژی اشاره کرد. استفاده از تجهیزات مناسب یکی از فاکتورهای بسیار مهم در موفقیت این گونه سیستم هاست. علاوه بر کارایی و قابلیت اعتماد بالا، امکان افزودن قابلیت های دیگر به ترمینال یونیت های VAV، باعث افزایش اقبال مهندسیم طراح به اینگونه سیستم ها شده است.
در سیستم های تهویه مرکزی تمام هوا را می توان به دو دسته زیر تقسیم کرد:
- حجم هوای ثابت (CAV)(Constant Air Volume)
- حجم هوای متغیر (VAV)(Variable air Volume)
در سیستم های حجم هوای ثابت ، بدون توجه به تغییرات بارحرارتی، حجم ثابتی از هوای تهویه به هر فضا منتقل می شود. در این حالت ممکن است فن در شرایط خاموش بودن سیستم تهویه ، همچنان فعال باشد. در مقابل ، سیستم های حجم هوای متغیر با تغییر مقدار حجم هوای دما ثابت ورودی ، دمای هر فضا را متناسب با تغییر بار کنترل می کنند. به طور معمول دور فن در این حالت بطور مداوم متناسب با شرایط کلی سیستم تهویه، تغییر می کند. به دلیل توانایی بالا در صرفه جویی انرژی سرمایش ، گرمایش و انرژی مصرفی فن ها، این سیستم ها در مقایسه با سایر سیستمهای تهویه مطبوع بسیار محبوب بوده و استفاده از انها به سرعت در حال رشد است.
یکی دیگر از مزایای سیستم های VAV ، انعطاف پذیری بالایی است که در طراحی سیستم های تهویه ساختمان های تجاری با گوناگونی بار زیاد برای طراحان فراهم می کنند، زیرا در این سیستم می توان بخش های دارای بارهای مختلف و غیر یکسان را به خوبی و به روشی اقتصادی کنترل کرد.
با وجود اینکه این سیستم ها دارای پیچیدگی ها و گوناگونی های خاص خود هستند اما در حالت کلی در سیستم های حجم هوای متغیر ، هوا با یک دمای ثابت و نسبتا پایین (۱۲ درجه سانتیگراد) به یک ترمینال کنترل تحویل داده می شود. با کاهش بار حرارتی فضا ، دمپرهای VAV ، متناسب با نیاز فضا ، هوای تحویلی به فضا را کاهش می دهند. در صورت نیاز به گرمایش در ترمینال های VAV کویل های حرارتی نصب می شود.
مزایای استفاده از سیستم های VAV
- توانایی کنترل دما در بخش های داخلی و خارجی ساختمان بدون دور شدن از شرایط مطلوب
- قابلیت هماهنگی با تغییر بار ناشی از تغییر در میزان تابش خورشید
- هزینه اولیه کم
- سازگاری و هماهنگی با سیستم های مدیریت مصرف انرژی و تنظیمات مورد نیاز در شب و روز
از انجاییکه مقدار هوای تغذیه متناسب با میزان بار حرارتی فضا است این سیستم ها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند.
این سیستم ها برای بهره برداری در شرایط کاری بخشی (Partial) ساختمان از قبیل اضافه کاری و یا اخر هفته بسیار مناسب است.
- توان مصرفی فن
قوانین اساسی فن ها بر پایه اسب بخار ترمزیBrake horsepower) (BHP)) استوار است که با توان سوم سرعت فن تغییر می کند. بنابراین زمانیکه سرعت یک فن با استفاده از یک سیستم کنترل سرعت کاهش می یابد ، اسب بخار ترمزی مورد نیاز کاهش می یابد. این مطلب را می توان به صورت زیر نشان داد.
HP2=HP1 *(RPM2/RPM1)۳
به عنوان مثال فرض کنید یک فن در سرعت ۱۰۰۰ rpm بتواند به میزان ۲۰۰۰۰ cfm دبی و ۳.۰ w.g. فشار استاتیک ایجاد کند. مقدار توان مورد نیاز در این حالت ۱۵BHP است. اگر سرعت فن به ۷۰۰ rpm برسد توان مورد نیاز آن ۵.۱ BHP خواهد بود. به همین ترتیب اگر سرعت به ۵۰۰ rpm برسد توان مصرفی فن به ۱.۹ BHP کاهش می یابد. البته این شرایط برای زمانی است که با تغییر دور فن هیچ گونه افتی ایجاد نشود. این مثال نشان می دهد که استفاده از که استفاده از کنترل کننده سرعت متغیر می تواند منجر به صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی شود.
- انواع سیستم های حجم متغیر هوا و کنترل کننده های سرعت
امروزه سیستم های VAV متفاوتی وجود دارند. بطور معمول در سیستم های VAV به دلیل تغییر مقدار دبی خروجی از ترمینال های VAV نصب شده در هر فضا ، دور فن هواساز نیز باید متناسب با میزان هوای خروجی از کلیه ترمینال های VAV موجود در ساختمان ، تغییر کند تا جلوی افزایش فشار هوا و ترکیدگی کانال ها گرفته شود. اما در مواردی می توان از ترکیب سیستم حجم ثابت و حجم متغییر نیز به صورت یگ سیستم هیبرید استفاده کرد. بدین صورت که دور فن هواساز را ثابت نگه داشته و بجای استفاده از یک سیستم تغییر دهنده دور فن ، با ایجاد یک مسیر بای پس در کانال های هوا رفت ، در صورت افزایش فشار کانال ، هوا اضافی به داخل مسیر هوای برگشت منتقل شود.
این نوع سیستم هیبرید بدلیل حذف ورودی های دارای پره راهنما ( گایدوین (Guide Vane)) ، کلاچ جریان گردابی (EDDY CURRENT CLUTCH) و اینورتر های تغییر سرعت ، هزینه اولیه کمی دارد. اما با افزایش فضای مورد نیاز داکت در این سیستم ها این صرفه جویی اولیه از بین می رود و همچنین با ثابت ماندن هوای تغذیه ، توان ترمزی مصرفی فن نیز ثابت مانده و هیچ گونه صرفه جویی انرژی در این حالت ایجاد نمی شود. علاوه بر این به دلیل نوسانات شدید دمای هوای برگشتی، در زمان ورود هوای بای پس شده به مسیر هوای برگشت، کنترل دمای فضا نیز بسیار سخت می شود.
- روش های ایجاد جریان هوای متغیر
بطور کلی چهار تکنیک اصلی برای تغییر نرخ جریان هوا وجود دارد.
- حرکت روی منحنی فن
- استفاده از دمپر های قرار گرفته در خروجی فن
- بکار گیری گایدوین های موجود در ورودی فن
- استفاده از کنترل کننده های سرعت متغیر
سرعت فن را می توان با استفاده از یک دستگاه مکانیکی و یا الکتریکی کنترل کرد.
- حرکت روی منحنی فن
ساده ترین روش مدوله کردن فن ، حرکت روی منحنی فن است. در این حالت تا زمانیکه سرعت فن به سرعت عملیاتی متناظر با فشار استاتیک سیستم که با شروع بسته شدن دمپر VAV افزایش می یابد برسد ، روی منحنی فن حرکت می کنیم. این روش به دلیل احتمال تحت فشار زیاد قرارگرفتن داکت، خطرناک بوده و در توان مصرفی ترمزی فن نیز صرفه جویی ناچیزی اتفاق می افتد.
علاوه بر این ، ایجاد سروصدا در فضای مورد تهویه در صورت بسته شدن ترمینال های VAV یکی دیگر از مشکلات بالقوه اینگونه سیستم هاست.
- استفاده از دمپر های قرار گرفته در خروجی فن
دمپر های تخلیه احتمال ایجا فشار بیش از حد و سروصدا را کاهش می دهند. زمانیکه یک دمپر تخلیه شروع به بسته شدن می کند افت فشار بیشتری روی دمپر دیده می شود. با افزایش فشار استاتیک ، نقطه عملکرد فن تا رسیدن به یک سرعت ثابت که باعث کاهش فشار استاتیک در سمت تخلیه دمپر شود روی منحنی فن حرکت می کند. این روش باعث صرفه جویی در هزینه نصب اولیه و کاهش هزینه های نگهداری شده اما در صرفه جویی انرژی تاثیر کمی دارد. در ظرفیت کامل ، توان اسب بخار و توان صوتی زیاد می شود. منحنی مشخصه فن یک فاکتور حیاتی در بکارگیری این روش است.
شکل ۱: منحنی عملکرد فن
- بکار گیری پره های راهنما در ورودی فن
یکی از روش های متداول برای مدوله کردن فن ها استفاده از پره های راهنما( گایدوین ها) است. پره ها با رابط های مکانیکی و عملگرها بر اساس تغییر فشار استاتیک خارجی کنترل می شوند. افزایش فشار استاتیک در پلنیوم تغذیه ، نشان دهنده بسته شدن دمپر VAV باکس و ایجاد شرایط مطلوب در فضا بوده و در این حالت پره های راهنما شروع به بسته شدن کرده و با کاهش سطح ورودی هوا به دمنده ، حجم هوای تغذیه نیز کاهش می یابد. هزینه اولیه پایین و کاربری راحت برای اپراتور از جمله مزایای استفاده از پره های راهنما است. از معایب این روش نیز می توان به مسایلی همچون شکسته شدن رابط ها یا اشتباه در کالیبراسیون و همچنین ایجاد سرو صدا در بخش ناپایدار منحنی فن ، ابعاد فیزیکی بزرگ و وزن زیاد این سیستم نام برد. بدلیل ایجاد مانع برای جریان هوا در این روش ، توان ترمزی فن و توان صدای ایجاد شده حتی در زمانی که پره ها بطور کامل باز هستند زیاد می شود. صرفه جویی در توان ترمزی در این روش بیشتر از دمپرهای تخلیه و کمتر از استفاده از روش درایورهای سرعت متغیر است.
شکل۲: بکار گیری پره های راهنما در ورودی فن
- استفاده از کنترل کننده های سرعت متغیر
امروزه استفاده از کنترلر های سرعت متغیر در مدولاسیون VAV به سرعت در حال رشد است. در این دسته چندین روش برای کنترل سرعت فن قرار دارد.
- کلاچ جریان گردابی
سیستم کلاچ جریان گردابی شامل یک موتور A.C. سرعت ثابت کوپل شده با یک کلاچ الکترومغناطیسی جریان گردابی و کنترلر حالت جامد است. بطور معمول یک سیستم کلاچ جریان گردابی شامل یک عضو ورودی متصل به شفت موتور و یک عضو خروجی است که ضمن اتصال به فن بطور ازادانه در داخل ورودی می چرخد. کنترلر یک میدان مغناطیسی را که باعث اتصال شفت ورودی و خروجی است کنترل می کند. با تغییر قدرت میدان مغناطیسی در اطراف کلاچ ، سرعت کلاچ تغییر می کند. کنترلر دستورات را از یک ترانسدیوسر (مبدل) الکترونیکی فشار استاتیک که در پلنیوم هوای تغذیه قرار گرفته دریافت می کند. امروزه سیستم های کلاچ گردابی در محدوده ۳۰:۱ عمل کرده و می توانند مقادیر کم حجم هوای تغذیه را نیز به خوبی کنترل کنند.
از جمله معایب این روش می توان به کاهش کارایی در سرعت های کم ، اندازه فیزیکی بزرگ و همچنین عدم توانایی آن در عملکرد مستقل در صورت خرابی موتور ، اشاره کرد.
شکل ۳: کلاچ جریان گردابی
- درایور سرعت متغیر C.
کنترل سرعت با استفاده از فرکانس قابل تنظیم انجام می شود. در این روش ولتاژ A.C. به ولتاژ D.C. تبدیل می شود، سپس ولتاژ D.C. تنظیم شده را توسط اینورتر دوباره به ولتاژ A.C. تبدیل می کنند. اینورتر نیز با استفاده از سیگنال ۴-۲۰ma یا ۰-۱۰ولت ایجاد شده توسط کنترلر الکترونیکی فشار استاتیک ، کنترل می شود.
شکل ۴: درایور سرعت متغیر
اینورتر سرعت متغیر دارای مزایایی از قبیل صرفه جویی در توان مصرفی ، محدوده عملکردی گسترده ، عدم افزایش توان صدا است. از دیگر مزیت های بزرگ این روش این است که در صورت ایجاد هرگونه مشکلی در راهبری سیستم ، فن می تواند با موتور در حداکثر سرعت خود به کار ادامه دهد. یکی از معایب این سیستم هزینه اولیه بالاست ، گرچه با توسعه تکنولوژی درایو ها این مسئله به میزان قابل توجهی حل شده است. با ظهور کنترلرهای کابر پسند نیاز به پرسنل متخصص برای سرویس این درایو ها دیگر یک فاکتور مهم محسوب نمی شود. صرفه جویی در مصرف انرژی در روش های کنترل مختلف بطور قابل ملاحظه ای با یکدیگر متفاوت است. میزان مصرف انرژی در یک فن با استفاده از این روش ها عبارت است از:
مصرف نسبی انرژی فن | کنترل جریان |
۱.۰۰ | سیستم دمپر |
۰.۸۲۶ | پره های ورودی |
۰.۲۸۷ | سرعت متغیر |
